能量與代謝1課件

生命活動的能量來源？ATP物質(zhì)？？？伴隨能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì)循環(huán)？生命活動中的能量與代謝1、生物體與環(huán)境的物質(zhì)、能量交換能量的來源物質(zhì)的來源2、細胞內(nèi)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化物質(zhì)/能量的載體合成代謝與分解代謝細胞“燃燒”能源物質(zhì)的基本過程：代謝：英文metabolism物質(zhì)的轉(zhuǎn)化：無機物與有機物間，有機物之間，小分子與大分子間光合作用、光反應(yīng)、暗反應(yīng)、固氮作用、呼吸作用糖酵解、發(fā)酵、三羧酸循化、氧化磷酸化你知道這些名詞的含義嗎？從能量與代謝的觀點來看生命活動環(huán)境（能量：化學(xué)能／光能物質(zhì)：碳源／氮源．．．）生物體化學(xué)能（高能磷酸鍵、高能電子）自身物質(zhì)代謝廢物運動、能量耗散代謝：化學(xué)反應(yīng)的總稱酶催化氧化還原反應(yīng)與能量2H++2e-

H2-0.42NAD++2H++2e-

NADH+H+-0.32S+2H++2e-

H2S-0.274SO4-2+8H++8e-

H2S-0.22pyruvate+2H++2e-

lactate-0.185FAD+2H++2e-

FADH+H+-0.18cytochromeb(Fe3+)+e-

cytochromeb(Fe+2)0.075ubiquinone+2H++2e-

ubiquinoneH20.10cytochromec(Fe+3)+e-

cytochromec(Fe+2)0.254NO3-+2H++2e-

NO2-+H2O0.421NO2-+8H++6e-

NH40.44Fe+3+e-

Fe+20.771O2+4H++4e-

2H2O0.815電子受體氧化還原電位電子從低氧化還原電位的物質(zhì)傳遞到高電位的物質(zhì)時，放出能量反之，將電子從高氧化還原電位的物質(zhì)傳遞到低電位的物質(zhì)時，需要吸收能量。生物體與環(huán)境的物質(zhì)與能量交換依賴光能依賴化學(xué)能電子供體電子受體電子供體電子受體（被氧化）e（被還原）（如H2O）（如CO2，NAD+）光照光照ADP+PiATPe+能量同時考慮物質(zhì)、能量的來源自養(yǎng)生物（以二氧化碳為碳源）異養(yǎng)生物（以有機物為碳源）化學(xué)能異養(yǎng)生物：LithotrophicBacteria吃巖石的細菌NitrifyingBacteria：NH3+11/2O2

HNO2+H2O不需要太陽能的深海生態(tài)系統(tǒng)深?；鹕娇贐lacksmokerGianttubewormSymbioticbacteria

physiologicalgroupenergysourceoxidizedendproductorganismhydrogenbacteriaH2H2OAlcaligenes,PseudomonasmethanogensH2H2OMethanobacteriumcarboxydobacteriaCOCO2Rhodospirillum,Azotobacternitrifyingbacteria*NH3NO2Nitrosomonasnitrifyingbacteria*NO2NO3NitrobactersulfuroxidizersH2SorSSO4Thiobacillus,SulfolobusironbacteriaFe++Fe+++Gallionella,Thiobacillu部分微生物所利用的能源物質(zhì)需氧生物與厭氧生物產(chǎn)能反應(yīng)是否以氧為最終電子受體需氧生物強迫性需氧Obligateaerobes條件性需氧Facultativeanaerobes厭氧生物強迫性厭氧

electronacceptorreducedendproductnameofprocessorganismO2H2OaerobicrespirationEscherichia,StreptomycesNO3NO2,NH3orN2denitrificationBacillus,PseudomonasSO4SorH2SsulfatereductionDesulfovibriofumaratesuccinateanaerobicrespiration

EscherichiaCO2CH4methanogenesisMethanococcus有的微生物在其細胞呼吸中不以氧為最終電子受體

光能自養(yǎng)生物：太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（通過還原碳）化學(xué)能異養(yǎng)生物：通過氧化含碳化合物獲得能量

氧循環(huán)、碳循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化以高能磷酸鍵形勢儲存能量分解代謝合成代謝分解代謝的總體框架第一步：大分子水解為單體蛋白質(zhì)20種氨基酸多糖單糖脂類甘油和脂肪酸分解代謝：第二步：單體化解為更簡單的代謝中間物氨基酸脫氨Alpha-酮酸，進入三羧酸循環(huán)或生成丙酮酸或乙酰輔酶A葡萄糖丙酮酸甘油丙酮酸脂肪酸乙酰輔酶A丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A葡萄糖的利用:糖酵解途徑發(fā)生在細胞質(zhì)中的9步反應(yīng)。參與化合物：①葡萄糖，②ADP和磷酸，③NAD+。起始階段還需要消耗2分子ATP來啟動。糖酵解將六碳的葡萄糖分解成2個三碳的丙酮酸，2H2O凈產(chǎn)生2個ATP，生成2分子NADH，糖酵解不需要氧參與。能量物質(zhì)的燃燒：

有氧呼吸與無氧呼吸（發(fā)酵）有氧途徑：NADH以氧作為電子的受體被氧化發(fā)酵途徑：NADH以有機代謝中間物作為電子受體被氧化能量物質(zhì)的燃燒：

有氧呼吸與無氧呼吸（發(fā)酵）有氧途徑：NADH以氧作為電子的受體被氧化發(fā)酵途徑：NADH以有機代謝中間物作為電子受體被氧化有氧呼吸的總體框架發(fā)生在線粒體中。分解丙酮酸形成2分子CO2、8個H，3分子NADH和1分子FADH2，及1分子ATP。Krebs循環(huán)也是放能反應(yīng)過程

Krebs循環(huán)三羧酸循環(huán)（TCA)檸檬酸循環(huán)有氧途徑三羧酸循環(huán)特點1)乙酰輔酶A參于2）丙酮酸脫羧產(chǎn)生1分子NADH3)2次脫羧,產(chǎn)生2個C024）3次NAD+,1次FAD+還原，產(chǎn)生3分子NADH，1分子FADH5）伴有一次底物磷酸化，產(chǎn)生1分子ATP6)反應(yīng)在線粒體基質(zhì)中進行丙酮酸脫氫酶復(fù)合物NADH載有的能量如何被轉(zhuǎn)化為ATP？電子傳遞鏈與氧化磷酸化1961年，英國科學(xué)家Mitchell提出化學(xué)滲透學(xué)說由此榮獲1978年的諾貝爾獎。化學(xué)滲透學(xué)說當線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈進行電子傳遞時，電子能量逐步降低，脫下的H+質(zhì)子便穿過膜從線粒體的基質(zhì)進入到內(nèi)膜外的腔中，造成跨膜的質(zhì)子梯度（濃度差），導(dǎo)致化學(xué)滲透發(fā)生，即質(zhì)子順梯度從外腔經(jīng)內(nèi)膜通道（ATP合成酶）而返回到線粒體的基質(zhì)中，所釋放的能使ADP與磷酸結(jié)合生成ATP。電子傳遞鏈：高能電子從NADH和FADH2最終傳遞給分子氧，同時隨著電子能量水平的逐步下降，高能電子所釋放的化學(xué)能就通過磷酸化途徑貯存到ATP分子中，每分子NADH產(chǎn)生3分子ATP質(zhì)子梯度驅(qū)動ATP的合成。ATP合成酶由暴露在線粒體基質(zhì)中的F1單元、與膜結(jié)合的Fo單元組成F1的三維空間結(jié)構(gòu)。它由三個alpha、三個beta、一個gamma亞基構(gòu)成F1催化ATP合成的模型由F1單元組成的分子馬達：實驗觀察到ATP水解與gamma亞基旋轉(zhuǎn)的耦合ATP水解與gamma亞基旋轉(zhuǎn)的耦合F1單向旋轉(zhuǎn)的模型Fo與F1間的耦合（模型）質(zhì)子跨膜運動推動Fo的a亞基繞C12的轉(zhuǎn)動細胞“燃燒”一分子葡萄糖產(chǎn)生多少ATP？葡萄糖中大約40-50%的能量被轉(zhuǎn)化儲存在ATP中，而汽車發(fā)動機只有15-25%轉(zhuǎn)化為動能，細胞呼吸的產(chǎn)能效率高。呼吸作用受到的調(diào)控：反饋調(diào)控激素--〉CAMP--〉外部信號的調(diào)控作用雙功能酶CauseofPompedisease.....

Pompediseaseiscausedbyacompleteorpartialdeficiencyofthelysosomalenzyme,alpha-glucosidase.Thisenzymeisnecessarytobreakdownglycogenandtoconvertitintoglucose.Withoutthisenzyme,glycogen,athickstickysubstance,accumulatesinthelysosomes(sacswithinthemusclecells)andleadstoseveremuscledegradation.Itpredominatelyaffectstheheart,skeletal,andrespiratorymusclesofthepatient.代謝失調(diào)與疾病例：糖元葡萄糖Galactosemiaisaninheriteddisorder。Itoccursatarateofapproximately1outof60,000births.Thereare3formsofthedisease--galactose-1phosphateuridyltransferasedeficiency(classicgalactosemia)anddeficiencyofgalactosekinaseorgalactose-6-phosphateepimerase.Ofthese,thegalactose-1-phosphatetransferasedeficiencyisthemostsevere(andmorecommon).Peoplewithgalactosemiaareunabletofullymetabolizethesimplesugargalactose.Galactosemakesuphalfofthesugar,calledlactose,thatisfoundinmilk.Lactoseiscalledadisaccharide(dimeaning2andsaccharidemeaningsugar)sincelactoseismadeupoftwosugars,galactoseandglucose,boundtogether.Galatosemia半乳糖MSUDisametabolicdisorderwhichaffectsthemetabolismofthebranchedchainaminoacids(BCAAs)leucine,isoleucine,andvaline.TheBCAAsareessentialaminoacidsandmustbeobtainedfromdietaryprotein.Whenmoreproteinisconsumedthanisneededforgrowth,thebranchedchainaminoacidsaredegradedtogenerateenergy.Breakdownoftheseaminoacidsinvolvesaseriesofchemicalreactionsmediatedbyanenzymesystemconsistingof6components,eachmanufacturedunderthedirectionofadifferentgene.InMSUD,oneorseveralofthesegenesismutated,resultinginaninefficientenzymecomplexandaffectingtheconversionofBCAAstoenergy.Theaffectedenzyme(branchedchainketo-aciddehydrogenasecomplex)normallycatalyzesthesecondstepofthedegradation,astepwhichissharedbyallthreeBCAAs.BecausethedegradationcannotproceedinMSUD,metabolitesaccumulatetotoxiclevelsandcauseillness.Theurineofaffectedchildrenhasasweetodorresemblingmaplesyrup(thusthename,maplesyrupurinedisease).InotherpartsoftheworldthesweetodormaybedescribedasburntsugarorIndianspice-like.Theodorisfromaderivativeofisoleucine.支鏈氨基酸支鏈酮酸ATP的產(chǎn)生1、底物水平磷酸化2.氧化磷酸化經(jīng)過電子傳遞系統(tǒng)，NADH被氧化，ATP被合成ATP的產(chǎn)生ATP的產(chǎn)生3.光合磷酸化光合作用:生物圈的第一生產(chǎn)力能量捕獲CO2固定O2釋放植物和光能自養(yǎng)微生物能進行光合作用Crosssectionofaleaf基質(zhì)類囊體基粒葉綠體的結(jié)構(gòu)

葉綠素chlorophyll,a,b胡蘿卜素carotenoids,藻膽素phycobilins光合作用的色素葉綠素

葉綠素分子由碳和氮原子組成卟啉環(huán)與葉醇側(cè)鏈相連結(jié)葉醇側(cè)鏈插入到類囊體膜中

葉綠素的分子結(jié)構(gòu)及吸收光譜1883年，德國Engelmann水綿絲狀綠藻螺旋帶狀葉綠體好氧游動的細菌棱鏡不同波長的光向著紅光和藍光區(qū)域聚集6.4 光系統(tǒng)與光反應(yīng)光反應(yīng)發(fā)生在類囊體膜上暗反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的基質(zhì)中光系統(tǒng)由葉綠素分子及其蛋白復(fù)合物、天線色素系統(tǒng)和電子受體等組成的單位稱為光系統(tǒng)。光反應(yīng)由兩個光系統(tǒng)及電子傳遞鏈來完成。光能的捕獲紫細菌捕光蛋白(LH)與光合反應(yīng)中心(RC)圓柱體：蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)方塊：色素分子RC光反應(yīng)水的分解（O2釋放，NADPH生成）ATP合成光子照射到某些生物分子電子躍遷到更高的能量水平激發(fā)態(tài)：葉綠素分子是一種可以被可見光激發(fā)的色素分子，在光子驅(qū)動下發(fā)生的得失電子反應(yīng)是光合作用過程中最基本的反應(yīng)。光合磷酸化光合磷酸化指葉綠體在光作用下催化ADP+磷酸生成ATP的過程光系統(tǒng)類型光合作用的原初過程chl*+Achl++A-A被還原,chl被氧化chl-++Dchl+D+D+AD++A-光引起氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生電荷分離人造光反應(yīng)中心?C·

+-PA-PB-QA-QB·

-光誘導(dǎo):光反應(yīng)的調(diào)節(jié)光活化的葉綠素分子可能變成具有強烈反應(yīng)活性氧化自由基。類胡蘿卜素可以將其“淬滅”其他色素分子也可以有淬滅作用。受到酶的調(diào)節(jié)。暗反應(yīng)：CO2固定三分子二磷酸核酮糖(15C)--〉六分子三磷酸甘油醛(totalof18C)1分子產(chǎn)物5分子再生為二磷酸核酮糖3CO2+9ATP+6NADPH

glyceraldehyde-3-phosphate+9ADP+8Pi+6NADP+開爾文循環(huán)1：碳的固定2：磷酸甘油酸的還原3：二磷酸核酮糖的再生催化CO2固定的酶：RUBISCO光呼吸作用CO2濃度增加通常能加強光合作用.在CO2濃度較低的情況下：RUBISCO具有氧化酶的活性，光呼吸作用TheuptakeofO2byRUBISCOforms:the3-carbonmolecule3-phosphoglycericacid—justasintheCalvincyclethe2-carbonmoleculeglycolate.--〉CO2凡是在葉肉細胞中,通過卡爾文循環(huán),將二氧化碳固定,生成富含能量的三碳化合物,甘油醛3-磷酸(G3P)的植物,被稱為C3植物

大豆,燕麥,小麥,水稻C4植物PEPcarboxylase,whichhasastrongeraffinityforcarbondioxidethandoesRuBPcarboxylaseCO2被濃縮RUBISCO在高CO2,低O2分壓的環(huán)境中催化。。Atnight,CAMplantstakeinCO2throughtheiropenstomata（氣孔）

TheCO2joinswithPEPtoformthe4-carbonoxaloaceticacid（草酰乙酸）Thisisconvertedto4-carbonmalicacid（蘋果酸）

thataccumulatesduringthenightinthecentralvacuoleofthecells.Inthemorning,thestomataclose(thusconservingmoistureaswellasreducingtheinwarddiffusionofoxygen).Theaccumulatedmalicacidleavesthevacuole（液泡）andisbrokendowntoreleaseCO2.TheCO2istakenupintotheCalvin(C3)cycle.2.CAM植物：C4與C3循環(huán)在時間上分開必須先被轉(zhuǎn)化為氨(NH4)or硝酸鹽(NO3).固氮菌：將氮氣轉(zhuǎn)化為氨氮的固定大氣中氮氣含量：79%但絕大多數(shù)生物不能利用它為氮源。氮循環(huán)固氮反應(yīng)：N2+8H++8e-+16ATP=2NH3+H2+16ADP+16Piprokaryotes(thebacteriaandrelatedorganisms),usinganenzymecomplextermednitrogenas